于秀娟，魏 欣，葉 瑛，鄭云澤

(1.重慶市水土保持監(jiān)測總站，重慶 401147；2.北京師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)部 地表過程與資源生態(tài)國家重點實驗室，北京 100875；3.重慶市合川區(qū)水利工程質(zhì)量技術(shù)指導(dǎo)中心，重慶 401520)

重慶市合川區(qū)地處長江上游三峽庫區(qū)腹心地帶，是長江經(jīng)濟帶國家級轉(zhuǎn)型升級示范開發(fā)區(qū)、國家城鄉(xiāng)融合發(fā)展試驗區(qū)。該地區(qū)地形起伏大，生態(tài)環(huán)境脆弱，水土流失尤為嚴重[1]。開展水土流失動態(tài)監(jiān)測和定位觀測是分析水土流失影響因素，開展綜合治理，改善生態(tài)環(huán)境的關(guān)鍵。目前重慶市已建的監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)由市監(jiān)測總站、4個監(jiān)測分站和17個監(jiān)測站點組成，重慶市合川區(qū)雙鳳坡面徑流場主要用于監(jiān)測不同坡度條件下耕地小區(qū)的產(chǎn)流產(chǎn)沙特征。不同坡度對地表徑流和水土流失有顯著影響，而產(chǎn)流產(chǎn)沙過程又是地質(zhì)地貌、地形、氣候、植被覆蓋和人類活動等多種因素綜合作用的結(jié)果[2]。為此，選取重慶市合川區(qū)雙鳳坡面徑流場為研究區(qū)，利用已建成的3個不同坡度的標(biāo)準(zhǔn)徑流小區(qū)，監(jiān)測降雨量、產(chǎn)流產(chǎn)沙量和植被蓋度，分析自然降雨條件下坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙特征，探討不同坡度條件下耕地徑流小區(qū)的產(chǎn)流產(chǎn)沙特征影響因素，以期對紫色土區(qū)和三峽庫區(qū)坡面水土流失防治提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

合川區(qū)雙鳳坡面徑流場位于合川區(qū)東南部的雙鳳鎮(zhèn)塘灣村，地理位置106°28′12″E、30°00′54″N，屬嘉陵江左岸干流玉龍河水系，地貌類型以低山丘陵為主，土壤以紫色土和水稻土為主。合川區(qū)屬亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候，溫暖濕潤，雨量充沛，具有春早夏長、秋雨連綿、冬季多霧的特點。根據(jù)《重慶市水土保持規(guī)劃(2016—2030年)》，監(jiān)測站點所在地所屬水土保持一級區(qū)劃為西南紫色土區(qū)(四川盆地及周圍山地丘陵區(qū))，二級區(qū)劃為川渝山地丘陵區(qū)，三級區(qū)劃為四川盆地南部中低丘土壤保持區(qū)，四級區(qū)劃為渝西方山丘陵保土人居環(huán)境維護區(qū)。

2 研究方法

2.1 徑流小區(qū)設(shè)置

監(jiān)測站點根據(jù)《重慶市水土保持監(jiān)測體系建設(shè)規(guī)劃(2008—2015年)》進行規(guī)劃建設(shè)，主體及附屬工程于2016年完工，2017年8月各類監(jiān)測設(shè)備安裝完成。用地面積10 795 m2，類型為坡面徑流小區(qū)，2016年始建有坡度分別為13°、15°、17°的小區(qū)各1個，氣象站1處，安裝有模擬人工降雨設(shè)備、氣象觀測設(shè)備、徑流泥沙自動監(jiān)測設(shè)備，配備徑流泥沙取樣分析設(shè)備。2020年9月，由于原徑流小區(qū)建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)偏低，出現(xiàn)了開裂和滲漏，影響正常產(chǎn)流和運行安全，運管單位將原3個坡度小區(qū)改造為10°、15°、20°的標(biāo)準(zhǔn)徑流小區(qū)，并升級配置了3套徑流泥沙和土壤墑情自動監(jiān)測設(shè)備。徑流小區(qū)投影長20 m、寬5 m，其中10°和15°小區(qū)基本為原始坡面，土層厚度為30 cm，母質(zhì)為頁巖，20°小區(qū)因地形限制，為原始坡面填土。徑流小區(qū)詳細信息見表1。

2.2 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集環(huán)節(jié)主要包括降雨、泥沙、徑流和植被蓋度等數(shù)據(jù)的監(jiān)測和采集，具體內(nèi)容和方法見表2。

表2 徑流小區(qū)數(shù)據(jù)采集方法

2.2.1 降雨監(jiān)測

降雨監(jiān)測采用自動傳輸和人工采集兩種方式。自動傳輸是采用FDY-5自記雨量計及WRU-2000數(shù)據(jù)采集器實現(xiàn)降雨量實時傳輸。采集頻次為無雨時每小時發(fā)送一次數(shù)據(jù)，下雨時每5 min發(fā)送一次雨量數(shù)據(jù)。人工采集利用雨量筒測量單次雨量，并對自記雨量計結(jié)果進行校驗。

2.2.2 產(chǎn)流監(jiān)測

產(chǎn)流監(jiān)測包括自動監(jiān)測設(shè)備監(jiān)測和人工監(jiān)測。自動監(jiān)測設(shè)備采用的是EL-RS徑流泥沙自動監(jiān)測系統(tǒng)的徑流部件。當(dāng)小區(qū)產(chǎn)流時，徑流自記儀采集到數(shù)據(jù)后，實時發(fā)送到數(shù)據(jù)接收服務(wù)器；若無產(chǎn)流，則每小時發(fā)送1次累計徑流量。人工監(jiān)測是每次降雨結(jié)束后，人工讀取分流桶和集流桶內(nèi)水面的標(biāo)尺讀數(shù)，通過水深和分流桶的分流孔數(shù)計算徑流量。

2.2.3 產(chǎn)沙監(jiān)測

產(chǎn)沙監(jiān)測采用雨后人工采集泥沙的方法，通過人工攪拌或全剖面泥沙采樣器采集每個分流桶和集流桶內(nèi)的泥沙。人工攪拌后泥沙均勻分布于桶內(nèi)，此時快速采集渾水樣裝至1 000 mL的集流瓶內(nèi)；而通過全剖面泥沙采樣器采集泥沙時則無須攪拌，將采樣器直接插入分流桶或集流桶中采集渾水樣后，倒入水桶，在水桶中攪拌采集水樣至1 000 mL集流瓶內(nèi)。集流瓶在室內(nèi)靜置沉淀，倒掉清液后烘干稱量，計算產(chǎn)沙量。

由表3說明，樣本1土壤中沒有添加化學(xué)修復(fù)劑時，其中鋅含量最高的是小麥景天，最高值為334.7mg/L，最低的是馬鈴薯，最低值為299.7mg/L。鉛含量最高的是油菜，最高值為77.1mg/L，最低的是狼尾草，最低值為60.6 mg/L。鉻含量最高的是巴天酸模，最高值為36.0mg/L，最低的是刺兒菜，最低值為32.3mg/L。銅含量最高的是狼尾草，最高值為29.7mg/L，最低的是刺兒菜，最低值為25.4mg/L。砷含量最高的是油菜，最高值為7.4mg/L，最低的是狼尾草，最低值為5.7mg/L。鎘含量最高的是油菜，最高值為0.8mg/L，最低的是狼尾草，最低值為0.5mg/L。

2.2.4 蓋度監(jiān)測

徑流小區(qū)的作物種植和田間處理參照當(dāng)?shù)馗氐淖魑锓N植習(xí)慣，并按時間要求，開展鋤草、疏枝、收割等操作。3個小區(qū)田間操作盡量在雨前同天處理完成，以保證每個小區(qū)在降雨期間的蓋度因子沒有較大差異。每月的1日和15日進行蓋度監(jiān)測，采用目估觀測法，全年植被蓋度觀測曲線見圖1。

圖1 徑流小區(qū)作物植被蓋度年度變化曲線

2.3 數(shù)據(jù)計算分析

次降雨侵蝕力計算公式為

R次=EI30

(1)

(2)

er=0.29[1-0.72exp(-0.082ir)]

(3)

式中：R次為次降雨侵蝕力，MJ·mm/(hm2·h)；I30為一次降雨過程中最大30 min雨強，mm/h；E為一次降雨的總動能，MJ/hm2；r=1，2，…，n，表示一次降雨過程按斷點雨強分為n個時段；Pr為第r時段雨量，mm；er為第r時段的單位降雨動能，MJ/(hm2·mm)；ir為第r時段斷點雨強，mm/h。

3 結(jié)果與分析

3.1 降雨特征

監(jiān)測站點2021年全年降雨量1 663.1 mm，最大日降雨量107 mm，最大次降雨量130 mm，最大月降雨量380 mm，年降雨侵蝕力8 754.8 MJ·mm/(hm2·h)，最大降雨侵蝕力1 111.1 MJ·mm/(hm2·h)，最大I30為63 mm/h。2021年月降雨量統(tǒng)計見圖2。

圖2 研究區(qū)2021年各月降雨量

圖3 研究區(qū)2019—2021年降雨場次及強度統(tǒng)計

3.2 徑流小區(qū)產(chǎn)流產(chǎn)沙特征

2021年坡度10°的小區(qū)產(chǎn)流35次，總徑流深517.65 mm，其中12次產(chǎn)流的徑流深>10 mm，徑流系數(shù)0.3，泥沙總量725.82 kg，土壤流失量72.58 t/hm2，單次產(chǎn)流量最大值為10.25 m3，單次產(chǎn)沙量最大值為324.54 kg，單次含沙量最大值為239.95 g/L，全年6次產(chǎn)流的含沙量>10 g/L；15°小區(qū)產(chǎn)流35次，總徑流深426.94 mm，其中11次產(chǎn)流的徑流深>10 mm，徑流系數(shù)0.26，泥沙總量982.30 kg，土壤流失量98.23 t/hm2，單次產(chǎn)流量最大值為9.65 m3，單次產(chǎn)沙量最大值為454.90 kg，單次含沙量最大值為311.66 g/L，全年有6次產(chǎn)流的含沙量>10 g/L；20°小區(qū)產(chǎn)流34次，總徑流深214.53 mm，其中8次產(chǎn)流的徑流深>10 mm，徑流系數(shù)0.13，泥沙總量704.99 kg，土壤流失量70.50 t/hm2，單次產(chǎn)流量最大值為3.79 m3，單次產(chǎn)沙量最大值為328.19 kg，單次含沙量最大值為277.51 g/L，全年有6次產(chǎn)流的含沙量>10 g/L。各徑流小區(qū)產(chǎn)流產(chǎn)沙情況見表3。

表3 不同坡度小區(qū)的產(chǎn)流產(chǎn)沙

2021年3個小區(qū)的產(chǎn)流量峰值均發(fā)生于次降雨量達到130 mm的9月6日，主要是前期的暴雨導(dǎo)致3個小區(qū)土壤含水量已經(jīng)很高，致使產(chǎn)流量峰值出現(xiàn)。而3個小區(qū)的產(chǎn)沙量峰值均發(fā)生于5月3日，為2021年首次暴雨，雨量達到71 mm，且歷時短，降雨侵蝕力高達1 106.3 MJ·mm/(hm2·h)，主要原因是小區(qū)作物播種時間不長，而且經(jīng)過了翻耕和除草等，地表覆蓋度較低，導(dǎo)致侵蝕量最大。

綜上所述，10°小區(qū)更易產(chǎn)流且徑流系數(shù)最大，15°小區(qū)徑流量是10°小區(qū)的82.5%，而20°小區(qū)徑流量才達到10°小區(qū)的41.4%。產(chǎn)沙隨著產(chǎn)流發(fā)生，但不完全取決于產(chǎn)流量，同時又受土壤質(zhì)地、坡度、蓋度等影響。10°小區(qū)產(chǎn)流量最大，但跟15°小區(qū)相比，流量優(yōu)勢并不顯著；15°小區(qū)產(chǎn)沙量大，20°小區(qū)的平均含沙量最大。從2021年3個小區(qū)的產(chǎn)流和產(chǎn)沙量對比分析可知，3個坡度小區(qū)的產(chǎn)流產(chǎn)沙并未完全依坡度變化而變化，主要原因可能在于3個小區(qū)的降雨侵蝕力、坡長、植被與作物管理、水土保持措施因子雖一致，但土壤透水性差異較大，因地形限制，10°和15°小區(qū)下層為基巖，而20°小區(qū)為回填土，導(dǎo)致前兩個小區(qū)存在隔水層，土壤透水性與20°小區(qū)差異較大。

3.3 產(chǎn)流產(chǎn)沙影響因素分析

坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙對次降雨的響應(yīng)在不同的作物生長期、地表蓋度、土層厚度和母質(zhì)條件下有較大不同，為了明確其影響因素，記錄并分析2021年18場侵蝕性降雨的產(chǎn)流產(chǎn)沙變化，詳見圖4。通過對比逐場降雨量與徑流深的關(guān)系可知，不同坡度小區(qū)的徑流深隨降雨量的變化有明顯的相似性，當(dāng)雨量增加時，徑流深也隨之增加。尤其在暴雨和大暴雨時，3個小區(qū)的徑流量都顯著增加。對比同一場次降雨條件下不同坡度小區(qū)徑流深的變化可知，10°小區(qū)的徑流深略大于15°小區(qū)，沒有明顯差異，而20°小區(qū)的徑流深均小于10°和15°小區(qū)，在暴雨或大暴雨時，徑流深的增加量遠小于其他兩個小區(qū)。3個坡度小區(qū)除坡度和土壤厚度的差異外，其他條件基本相同，均為耕地，且作物種植類型與時間、田間管理均相同，因此地表蓋度基本一致，但是10°小區(qū)和15°小區(qū)基本為原始坡面，土層厚度30 cm，母質(zhì)為巖石，而20°小區(qū)是在原始坡面的基礎(chǔ)上填土而成，土層較為疏松，土壤入滲能力明顯高于其他兩個小區(qū)，導(dǎo)致徑流量較小。

圖4 2021年不同坡度小區(qū)逐次降雨條件下的產(chǎn)流產(chǎn)沙特征

對比逐場降雨量與產(chǎn)沙量的關(guān)系可知，3個小區(qū)在2021年5月2、6和13日降雨的產(chǎn)沙量遠高于全年其他降雨場次降雨，而其他降雨場次產(chǎn)沙量的變化趨勢同徑流深和降雨量的變化一致，即當(dāng)降雨量和徑流深增加時，產(chǎn)沙量增加。經(jīng)過逐場降雨分析可知，5月2日的侵蝕性降雨是2021年的第一場暴雨，降雨量達到71 mm，I30為全年降雨的最大值，達到63.0 mm/h，降雨侵蝕力為1 106.3 MJ·mm/(hm2·h)；而5月6日和13日也達到大雨水平，降雨量分別是32 mm和31 mm，此時徑流小區(qū)種植的作物為玉米，種植時間為3月25日，植被蓋度較低，為10%～20%，并且經(jīng)過翻耕和除草等田間管理的土層較為松軟，容易發(fā)生侵蝕。隨著作物生長，加上5月中下旬套種了紅薯，6月植被蓋度迅速增加，對地表土壤形成了較好的保護，使后期暴雨和大暴雨所引發(fā)的產(chǎn)沙量遠小于5月。圖5為5月中旬以后不同坡度小區(qū)的產(chǎn)流產(chǎn)沙特征。分析圖5可知，產(chǎn)沙量與徑流量對暴雨的響應(yīng)基本一致，暴雨時的產(chǎn)沙量隨著徑流的增加而增加，但是坡度與產(chǎn)沙量沒有明顯相關(guān)關(guān)系，其中10°小區(qū)逐次降雨的產(chǎn)沙量相對較高，但是產(chǎn)沙量峰值發(fā)生于7月8日的20°小區(qū)，此次降雨I30為全年降雨的第二大值，達到50.4 mm/h，降雨侵蝕力為984.1 MJ·mm/(hm2·h)。

圖5 2021年不同坡度小區(qū)逐次降雨條件下的產(chǎn)沙特征(5月15日—9月18日)

綜合分析可知，雙鳳徑流小區(qū)坡度對產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響小于植被覆蓋和小區(qū)土壤厚度及母質(zhì)對產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響。

4 結(jié) 論

(1)在有頁巖母質(zhì)的原始坡面和完全填土兩種不同條件下，修建的坡度小區(qū)的徑流量與產(chǎn)沙量與坡度沒有明顯關(guān)系，說明坡度對產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響小于其他因素的影響，同時也說明為了能夠監(jiān)測坡度對產(chǎn)流產(chǎn)沙影響，小區(qū)的修建基礎(chǔ)應(yīng)完全一致，通過填土方式修建的小區(qū)無法反映重慶地區(qū)真實耕地坡面的產(chǎn)流和產(chǎn)沙情況。

(2)植被覆蓋對坡耕地產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響大于坡度的影響，翻耕和除草后的坡耕地土質(zhì)疏松，為暴雨或大暴雨條件下的土壤侵蝕發(fā)生提供了大量源物質(zhì)，加劇了坡面水土流失。